排放模型

一 排放因子模型
1 MOBILE 模型
1.1 概述
MOB I LE 是美国环保局 ( EPA)开发并推荐使用的宏观排放模型 ,是基于车龄、 平均车速等因素计算车队排放水平的宏观模型 ,考虑了计算平均排放因子 ,现已发展到 MOB I LE 6.2版本。

MOB I LE 6设置了 41个输入参数 ,以 89种命令实现参数输入。

有些重要的输入参数对排放因子影响较大 ,在机动车尾气排放控制方面有重要的研究价值，如机动车车型、 行驶平均速度、 燃油雷氏蒸气压值、 环境温度、 车里程分布、 车龄分布等。

由于影响机动车污染物排放的因素较多 ,MOB I LE 考虑了多种影响因素的修正方法 ,如环境因素中的温度、湿度和纬度;车用燃料中的硫含量、 含氧添加剂及替代燃料;空调负荷影响先从温度、 湿度和太阳辐射强度等方面分析计算空调的使用系数 ,再以道路类型、 平均速度和未开空调时的排放因子拟合空调负荷修正因子。

目前 ,MOB I LE 模型在我国机动车排放因子计算中有很广泛的应用 ,在支持城市机动车污染控制宏观决策方面具有很强的指导意义 ,但随着城市机动车污染控制工作的不断深入和细化 ,对高分辨率决策支持工具的需求也将越来越紧迫 ,宏观的 MOB I LE 模型已无法满足这种决策需求。

另外,由于我国的排放控制水平较低 ,基础数据较少 ,在使用MOB I LE 系列模型时有相当一部分参数建立在猜测基础上 ,因而需要完善我国机动车的相关基础数据。

刘侃侃,贠延滨,罗才武,孙德智. 城市机动车尾气排放及道路扩散模式综述[J]. 环境监测管理与技术,2009,21(6):8-14.
1.2 MOBILE 模型的基本计算原理
首先根据排放控制水平得到机动车在标准工况下的基本排放因子，在此基础上，再按照实际条件下各影响因素同标准工况的差别，对基本排放因子进行修正，最终得到实际运行状况下的排放因子。

以下将分别介绍基本排放因子和修正因子的算法。

在一定的环境条件下，车辆的排放与其使用里程呈线性关系，表示为：C ipn =A ip +B ip Y in
式中： C ipn ———FTP （1975）平均排放因子（g/km ）；
A ip ———初始排放因子（g/km ）；
B ip ———排放因子劣化率；
Y in ———总行驶里程；
i ———出产年代；
p ———污染物类型；
n———计算年代。

在计算出基本排放水平后，可考虑各种影响因素，对其排放因子进行修正，得到实际排放因子E：E=SUM（C，M，F，CA，L，U，H）
式中： SUM———下属物理量的综合函数；
C———FTP（1975）平均排放因子；
M———占总行驶里程比例；
F———温度、速度、热启动/冷启动工况修正参数；
———空调装置修正参数；
C
A
L———负载修正参数；
U———拖车修正参数；
H———湿度修正参数。

靖苏铜,王伟,白韶波.城市机动车排放因子的测算研究[J]. 汽车与船舶
参考文献：
1 李修刚, 杨晓光, 王炜, 邓学钧.用于城市交通规划的机动车污染物排放因子.
2 林秀丽, 丁焰, 汤大纲.MOB ILE612中车队特征和平均速度对机动车尾气排放的影响[J].环境科学导刊,2008, 27 (3) : 11 – 13.
2 COPERT模型
COPERT模型源于欧洲委员会( EC)开展的机动车排放因子研究,经多年完善,于2007年进一步开发得到目前的可由计算机程序实现的COPERTⅣ模型。

该模型采用大量可靠的实验数据,可兼容不同国家的标准和参数变量,为欧洲国家广泛应用。

与MOB I LE模型相比, COPERT模型更适用于有不同尾气排放标准和很少交通数据资料的国家,还能计算机动车年排放量,可用于开发高时空分辨率的机动车排放数据库。

由于COPERT模型来自与我国发动机技术相近的欧洲,并能兼容我国目前和未来一段时间内的机动车排放控制标准,需要的参数较少,便于推广使用,可计算不同地区不同道路多种行驶工况下的各种机动车排放因子,因而在我国有很广泛的应用。

谢邵东等根据机动车的实际构成、行驶工况和燃油特征,应用COPERT Ⅲ模型计算得到2002年中国机动车排放CO、NOx、NMVOC和PM 的排放因子,通过与MOB I LE模式和台架测试得到的排放因子比较,发现应用COPERT Ⅲ模型的计算结果更接近中国机动车实际排放情况。

参考文献：
1谢邵东,宋翔宇,沈新华.应用COPERT Ⅲ模型计算中国机动车排放因子[ J ].环境科学, 2006, 27 (3) : 415 - 419.
3 IVE模型
保局资助下,共同开发了IVE模型( I nternati onaVehicle Emissi onModel) ,引入了比功率(VSP)分布状况,以反映车辆运行工况对污染物排放量的影响,提高了模型预测的可靠性,也便于发展中国家进行本土化处理。

王海鲲等、姚志良
等调查了机动车运行特征和技术水平参数,对IVE模型进行了本土化处理,利用修正后的模型分别计算了上海市、北京市的机动车污染物排放现状,建立了机动车污染排放清单。

参考文献：
1王海鲲,陈长虹,黄成,等.应用I VE模型计算上海市机动车污染物排放[ J ].环境科学学报, 2006, 26 (1) : 1 – 9
2姚志良,贺克斌,王岐东,等. I VE机动车排放模型应用研究[ J ].环境科学, 2006,
27 (10) : 1928 - 1933.
4 CMEM模型
该模型是微观模型,能够计算出大量不同类型轻型机动车在不同行驶条件(如加速、减速、怠速和匀速)下每秒尾气管排放值和油耗量。

CMEM在我国也曾有应用。

何春玉等分析和研究了北京市机动车污染物的排放特征,收集统计了典型轻型机动车参数,运行CMEM模型Access 2.02版本计算机动车排放因子,得到的不同交通行驶状况下北京市轻型机动车的CO2、CO、HC和NOx单车排放因子及各车型综合排放因子与实测排放因子及排放特征有较好的一致性。

CMEM模型在美国已经过大量的验证工作,与独立的排放测试结果相比较,估算效果很好,对于受到微观形式工况影响的机动车排放因子计算具有独到优势。

与MOB I LE模型相比,当机动车以低速和中速行驶时,两者估算结果一致;高速行驶时,CMEM估算的HC偏高,NOx偏低;当速度极低时,CMEM对各种排放物的估算值均低于MOB I LE模型。

参考文献：
1何春玉,王歧东. 运用CMEM模型计算北京市机动车排放因子[ J ].环境科学研究, 2006, 19 (1) : 109 - 112
5 MVEI模型
MVEI由CALIMEAC ( California I/M Emission Factors Model)、EMFAC、WE IGHT (Activity Weighting Model)和BURDEN 4个子模式组成,每个子模式有不同的分工:CALIMEAC用于在用车监督检查、I/M规程、路边抽检得到的排放数据的基本排放因子计算,依据不同的年型组、排放控制技术、排放限值,将汽车分为20个不同的技术组类,获得基本排放因子; ②EMFAC反映车辆实际工作的排放情况,在计算的排放因子基础上,采用温度、车速、燃油、工况和高排放量5个修正系数加以修正,这些参数因车类、技术装置、年型、污染物、排放过程、日历年的不同而变化,此外还考虑了不同起动状态对排放影响的复杂性; ③WEIGHT 主要生成累计行驶里程、年型不同引起的行车系数和技术分类不同引起的行车系数3类数据,行车系数包括车的保有量、行驶里程和起动次数3种因素; ④BURDEN即分担率,采用EMFAC和WE IGHT的排放因子,应用各个郡的独特条件,产生每个郡、空气质量盆地和全州的排放清单,以及每个评价年、日历年、夏天或冬天的排放清单,也可以统计燃油消耗量及SOx和铅的排放量,输出为表格方式表示的排放数据。

该模式接近加州的实际情况,数据分类科学,根据机动车污染情况的实际变化,每3年进行一次模式更新。

尽管CARB认为该模型在
加州应用结果良好,但在我国还未见应用。

二扩散模式
城市典型交通道路一般分为开阔型、交叉型、城市峡谷型3类,每种类型的道路结构各异,因而适用模式也有所区别。

1开阔型道路扩散模式
开阔型道路为城市道路的主干,车流量大,车流速度较快,两侧开阔少阻,污染物易受气象参数影响而快速扩散,尾气污染物浓度与车流量往往有很高的相关性。

适用于此类道路的机动车尾气扩散模式较多,主要为基于高斯理论的扩散模式,许多最初开发应用于高速公路机动车尾气扩散的模式也可以移植于城市开阔型道路机动车尾气模拟,模式主要有CALRoads、GM、H IWAY、TEXIN - 2、GFLS M、ISMAP、TRAQSIM等,在我国以CALRoads模式应用最多。

1.1 CALRoads模式
CALRoads模式是由美国加利福尼亚交通部开发的道路大气扩散模型, 包括CAL I NE4、CAL3QHC和CAL3QHCR等3个模块。

CAL I NE4是CAL I NE模式系列的最新版本,基于高斯扩散方程,应用混合层的概念来描述道路上方污染物的扩散,其基本思路是将道路划分为一系列线源单元(简称线元) ,分别计算各线元排放的污染物对接受点浓度的贡献,然后再求和计算整条道路流动源在接受点产生的污染物浓度。

CALRoads模式在欧美国家各大城市已有广泛应用,也是在我国应用最成熟的扩散模式之一。

李莉等应用CALRoads模式对上海市典型交通道路的CO作预测,发现该模式在模拟周围较空旷主干道路CO质量浓度时具有较好的结果,与实测结果的相关性在0.01的显著性水平上达到了0.83。

兰涛对该模式的CAL I NE4子模式进行了修正,对西安市主干道路机动车CO污染扩散进行模拟,模拟浓度与实测浓度的比值在[ 0. 5，1 .5 ]区间的比例接近93 . 75%。

CALRoads模式仅限于预测地形条件相对简单、气象条件相对稳定的高速公路和城市开阔型道路及停车场等场所在微尺度区域内受点的污染物质量浓度,而且输入参数较繁杂,和GIS结合以进行空间数据管理、分析和可视化的难度较大。

1.1.1CALINE4模式概述
CALINE4是CALINE系列的最后一个版本,它基于高斯扩散方程,应用混合层的概念来描述道路上机动车尾气排放的污染物的扩散. CALINE4模式的基本思路是将道路划分成一系列线源单元(简称线元) ,分别计算各线元排放的污染物对接受点浓度的贡献, 然后再求和计算整条道路流动源在接受点产生的污染浓度. 线元的划分方法见下图。

把划分后的每一个线元看作一个通过线元中心、方向与风向垂直、长度为该线元在垂直风向( y轴方向)投影的有限线源. 以接受点为坐标原点,上风向为正x轴,则线元对接受点污染的贡献值可按下式计算:
式中: Cn为第n个线元对接受点的贡献(mg/m3) ;C为浓度分布(mg/m3) ; QL 为线源源强[mg/ (m·s) ]; u为近地面风速(m / s) ; H为源高(m) ;σy为横向的扩散参数;σz为垂直向的扩散参数; y1、y2为有限线源两端点的纵坐标( y2 > y1 ) .
应用CALINE4模式预测机动车尾气污染,需要事先确定模型运行控制选项、污染源数据、气象数据和预测点位置坐标. 其中污染源数据包括道路的车流量数据、各类污染物的排放因子、道路的几何参数(位置坐标、几何尺寸、路况类别等) ;气象数据主要包括风速、风向、大气稳定度、扩散参数等.
参考文献：
1 李莉,陈长虹,黄成,等. CALRoads模式在上海市典型道路CO扩散预测中的应用[ J ].环境监测管理与技术, 2006, 18(4) : 7 - 11.
2 兰涛. CALINE4模型在西安市主干道机动车CO污染扩散计算中的应用研究[D ].西安:西安建筑科技大学, 2006.
3尹翠琴, 金腊华. CALINE4模式在广州市街东高速公路机动车尾气污染预测评价中的应用[J]. 暨南大学学报,2008,29(3):276-285.
1.2 TRAQSIM模式
TRAQSI M模式( TRaffic Air Quality SI mulati onModel)是一个新模式,由中佛罗里达大学(University of Central Fl orida)开发。

TRAQSI M模式将每辆车视为一个独立的移动点源,其排放因子由1993年—1994年数据的模态乘数回归方程计算。

该模型考虑到风向对机动车尾气的影响,基于高斯理论,应用VB和 C + +编程和计算,基本公式见文献。

机动车尾气受风向影响示意见图 1 ( a)( b)。

2 交叉路口扩散模式
典型交叉路口的空气质量是反映城市环境空气质量的窗口之一,对整个城市的环境空气质量及城市国民经济和生态环境的可持续发展所产生的影响不容忽视。

交叉路口一般包括十字交叉路口、T型路口、环行路口及高架立交桥等。

交叉口在城市道路中分布众多,虽然各支路两旁布满高低错落的建筑物,地形结构复杂,但每个交叉口在机动车运行和排放上有许多共同点,即交叉口车流汇集,同时有正常行驶和怠速或减速、加速的混合车流,且由于转弯和直行间的协调,导致车辆在交叉口处加、减速频繁,怠速时间长,尾气排放量增加,污染物浓度极易超标。

从20世纪70年代开始,美国研究人员开发了不少适用于道路交叉口的机动车排气污染模拟程序, 主要有UCD2001、I MM、TEXI N2、CAL3QHC、H I ROAD、FL I NT ( FLorida I NTersection)、AAMA,以及一些适用于开阔道路的模式,如CALINE4和H I WAY等。

这些模型基本类似,主要考虑到交叉路口几何特征、各车型比例及车流量、排放因子、气象参数等。

美国环保局曾对8个交叉口尾气扩散模型作比较评价,结果表明大多数模型在模拟最高值时预测值偏小,其中CA2L I NE4、CAL3QHC和TEXI N2的表现好于其他模型,而且CAL3QHC和TEXI N2在进行独立交叉口分析时比CALINE4 更精确。

Haitham 等应用FLINT、CAL3QHC和TEXI N2等模式对梅尔罗斯和伊利诺斯等交叉路口作模拟,发现AAMA和FL I NT的模拟效果较好。

CAL3QHC、CAL I NE4、H I WAY和I MM等模式在我国均有应用,其他模式则未见应用。

国内对于交叉口污染物扩散的研究相对较多,但由于起步较晚,主要还是引
入国外的模式来模拟计算机动车尾气污染物浓度。

李修刚和金陶胜等分别开发了适合我国的交叉口机动车尾气扩散模式,但没有得到推广。

2.1 CAL3QHC模式
CAL3QHC模式是美国环保局开发并推荐使用的交叉口尾气扩散模型,属于CALRoads模式的一个模块。

模型利用HCM方法计算不饱和条件下车辆的平均怠速时间,过饱和条件下的额外怠速则由确定性排队理论程序计算。

模型将排放分为行驶排放和怠速排放,其中行驶排放基于机动车的平均速度(包括加速和减速) ,使用排放模型计算得到;怠速排放通过排放模型中的怠速排放因子计算。

模型预测CO浓度时使用MOB I LE,预测颗粒物浓度时使用PART5,扩散分析使用CAL I NE。

龚慧明、周洪昌利用CAL3QHC模式分别模拟了北京市和上海市交叉路口的机动车尾气污染物,发现该模型可以较好地模拟开阔型十字路口处机动车CO 的排放,而对于混合交通且周围有高大建筑物的交叉路口的模拟与实测结果有出入。

2.2 FL I NT模式
由中佛罗里达大学开发的FL I NT模式是用来模拟预测饱和或过饱和交通状况下城市交叉路口环境空气中CO浓度的面源模型,该模型采用确定队列法估计饱和状态下的车队长度,而在过饱和情况下,则用一种循环计算方法估算。

Al - Deek等对梅尔罗斯和伊利诺斯等城市的交叉路口进行模拟,通过与CAL3QHC、AAMA、TEXI N2等模式的模拟结果及实际结果相比较,发现FL I NT模式的模拟结果更接近实际值。

3 城市峡谷型道路扩散模式
由于城市峡谷型道路结构独特,经常造成局地污染,因而其环境空气问题越来越受到关注。

研究者开发了大量的城市峡谷扩散模式,在空气污染、交通管理、城市规划及汽车数量、污染预测和人口控制之间的相互影响中有重要的应用价值。

国外学者从20世纪60年代开始研究街道峡谷内大气流场及空气污染状况,先后建立了一系列模式,模拟计算街道峡谷内流场的分布及污染物的浓度分布。

这类微小尺度的近场污染问题通常不考虑光化学反应,假定各种污染物的扩散运动遵守相同的物理规律。

对城市峡谷型道路污染扩散这种小尺度扩散问题而言,环境因素尤其是地理条件有很大的影响,街道两旁的高层建筑影响了街道峡谷内的流场,街道两侧的建筑物密集程度、高度及高度分布均匀度,以及街道的长、宽度等尺寸与污染物传输和扩散所处的大气流场有很大关系。

峡谷型道路扩散模式主要有美国的STREET、Nichols on开发的箱模式、德国的CPBM、荷兰的CAR、丹麦的OSPM、日本的JEA等。

傅立新等对OSPM模式进行了修正,并应用于北京、澳门等地的模拟,结果与实
际值非常符合。

近年来, CFD软件也在城市空气质量研究中有所应用。

3.1 STREET(SRI)/CPBM/OSPM模式
美国斯坦福研究所的Johns on等对机动车尾气初始扩散和由机动车引起的湍流进行了假设和简化,用一个简单的箱式模型,得到峡谷模式STREET( SR I )。

假设受体点的污染物浓度由两部分组成——城市背景浓度和峡谷机动车尾气排放浓度,计算街道两侧污染物浓度时需考虑街道受体点的高度及受体点与污染源的距离。

峡谷背风面的污染物浓度与受体点和线源的距离成反比,峡谷迎风面的污染物浓度只与受体点和线源的垂直高度有关。

由于STREET模式没有考虑风向与街道夹角较小或平行的情况,模式中的参数在规则街道峡谷中得到,因而在应用到其他街道时需要进一步修正,且该模式在接近静风条件下模拟精度不高。

CPBM模式(Canyon Plume - BoxMode1)采用高斯烟羽模式与箱模式相结合的方法,考虑了太阳辐射产生的热力效应及汽车行驶引起的湍流作用,从烟羽直接扩散和垂直再循环两部分对污染物浓度进行估算。

CPBM模式的模拟能力比STREET有所提高,但其数学表达较复杂,难以看出污染物浓度与气象条件及街道形状之间的关系。

OSPM 模式( Operational Street Pollution Mode1)是Hertel和Berkowiez在CPBM的基础上发展得到,是一个半经验模式,认为街道峡谷内的污染物浓度由3部分组成: ①汽车尾气污染物直接扩散所产生的浓度; ②由于气流涡旋造成污染物循环所引起的浓度; ③城市背景浓度。

直接扩散浓度的计算采用高斯烟羽模式思路,循环浓度采用区域形状为梯形的箱模式思路。

该模式对参数取值要求较高,且这些参数必须依不同城市而定。

参考文献：
1 傅立新,郝吉明,何东全,等.城市街道汽车污染扩散规律模拟研究[ J ]. Envir onmental Science, 1999 (6) : 2
2 - 25.
2吴烨,郝吉明,傅立新,等.澳门机动车排放清单[ J ].清华大学学报(自然科学版) , 2002, 42 (12) : 1601 - 1604.
3.2 CFD软件的应用
计算流体动力学(Computati onal Fluid Dynamics, CFD)是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础上的新型软件。

FLUENT是CFD软件包之一,是用于模拟和分析复杂几何区域内流体流动的专用软件,通过计算机数值计算和图像显示的方法定量描述流场在时空上的数值解。

由于FLUENT对实际道路模拟的准确性、适应性和可开发性,以及便于和GIS结合应用的优势,近年来在机动车尾气扩散研究领域的应用地位日渐上升。